基于電學補償的頻率光纖傳輸系統設計

李東瑾，梅進杰，胡登鵬，周文嬋，任天鵬（.空軍預警學院，武漢43009；.航天飛行動力學技術重點實驗室，北京00094）

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基于電學補償的頻率光纖傳輸系統設計

李東瑾1，2，梅進杰1，胡登鵬1，2，周文嬋1，任天鵬2
（1.空軍預警學院，武漢430019；2.航天飛行動力學技術重點實驗室，北京100094）

摘要：針對高精度頻率光纖傳輸的相位波動問題，分析了常規電學補償傳輸方式存在的不穩定性因素，提出了可行的解決方案。首先著重分析了電學補償及光纖頻率傳遞流程。然后實驗驗證了光纖反射信號對補償系統的干擾，定量分析了鏈路相位波動情況，最后設計了單模光纖單波長雙頻傳輸方案，提出了提高同步精度的可行方法。

關鍵詞：電學補償；雙頻傳輸；相位波動；鏈路對稱

0　引言

目前，高精度頻率遠距離光纖傳輸已成為主流趨勢，但隨著傳輸距離增加，對應的環境不確定因素越大，造成的時延抖動及相位波動更加難以預測。針對這一情況，各國競相開展了深入研究，提出了反饋補償機制，即通過信號回傳獲取誤差信息，進而在傳送端進行預補償。反饋控制主要存在電學補償、光學補償和光電聯合補償三種技術路線［1］。相比而言，電學補償方式不僅能夠有效提高傳輸穩定性，且具有實現簡便、成本低廉和補償速度快等優點，因此得到廣泛應用。電學補償精度受許多因素限制，要進一步提高其同步精度，除了選用高精度器件外，必須依賴于：更高精度的反饋信號；雙向傳輸鏈路的高度對稱；盡可能避免不必要的穩定度損失。

光纖頻率傳輸過程包含電、光兩類信號，要提高同步精度，必須同時保證高精度的電、光信號傳輸。本文從提高電學補償的同步精度角度出發，設計了單模光纖單波長雙頻傳輸方案來提高同步精度，并對不必要穩定度損失的補償方案進行了討論。

1　基于電學補償的光纖頻率傳輸系統

電學補償系統的設計實現一般是基于共軛相位補償原理［2］，要實現高精度的信號同步，需首先滿足雙向鏈路對稱性，即前向、后向傳輸時延抖動（τ1和τ2）及相位波動必須保持一致。圖1所示為基于電學補償的光纖頻率傳輸示意圖，圖中標注了整個傳輸流程。光信號傳輸主要集中在光學器件和光纖鏈路部分，光纖鏈路引入的時延抖動是造成傳輸不穩定的主要因素，頻域分析時時延抖動對應相位波動為φp。通常電子器件和光器件會固定引入微量相位偏移，激光器、光環形器和光電探測器引入的相位偏移分別為 φ1、φ2和φ3?？紤]到光纖傳輸時可能存在反射，圖1標注了前向反射信號s5和后向反射信號s6。

圖1　基于電學補償的光纖頻率傳輸示意圖

1.1電學補償信號分析

光纖遠距離頻率傳輸一般選用高精度原子頻標，設頻標s1=sin（2πf0t+φref），其中，f0為基準頻率，φref為初始相位。相位補償系統一般通過鎖相環電路實現，包含混頻、濾波、鑒相和壓控振蕩器（VCO）模塊，實現時通過混頻、濾波和鑒相提取相位誤差信息，并實時調整VCO實現相位預補償，其輸出信號s2為sin（2πf0t+ φref+φc），φc為預補償相位。信號經光纖傳輸后，鏈路引入相位波動為φp，可通過時延表示為-2πf0τ。傳輸至用戶端的信號s3為sin（2πf0（t-τ）+φref+φ1+2φ2+φ3+φc）。用戶端參考信號經激光器調制后，先后經過環形器、光纖和光電探測器回傳至補償系統，得到反饋信號s4為sin（2πf0（t-2τ）+φref+2φ1+4φ2+2φ3+φc）。不含反射信號干擾時，補償系統通過內部鑒相信號s0和反饋信號s4處理得到精確的誤差相位信號，用于調整φc進行預補償。

當基準信號與用戶端信號存在固定相位差Δ時，實現信號同步 （s3=s1），即當φc-（2πf0τ-φ1-2φ2-φ3）=Δ時，遠端信號與基準頻率源同步傳輸，相位差Δ一般取值±kπ2（k=0，±1，±3）?；谠撏綏l件，補償系統的內部鑒相源s0可設計為sin（2πf0t+φref+2φc），s0與s4混頻、鑒相、低通濾波后得到的誤差相位電壓信號為：

若考慮光纖反射信號干擾，則反饋端電信號s4中包含前向反射信號s5，其表達式為：

其中，Δφp1為前向反射信號的不確定相位偏移。此時，補償系統通過內部鑒相信號s0與反饋信號s4混頻、鑒相、低通濾波后，提取的相位誤差包含了反射信號干擾，雖然反射信號一般較小，但在高精度傳輸時，其引入的相位鎖定誤差不容忽略。

1.2光纖頻率傳遞分析

高精度電學補償傳輸系統必須保證雙向鏈路對稱，而實際應用中鏈路傳輸時延τ受傳輸波長和環境影響，并不一定滿足該條件。光纖鏈路時延常表示為：τ=nLc，其中，n為光纖折射率，L為光纖物理長度，c為真空光速度。標準單模光纖的Sellmeier折射率公式為［3］：

其中，λ為光信號波長，A、B、C、D均為溫度T的一次線性函數，對應一次項系數分別為 6.90754×10-6、2.35835×10-5、5.84758×10-7、5.43868×10-7，常數項分別為1.31552、0.788404、0.0110199、0.91326，E=100。

激光器的不穩定性和色散效應也會導致時延變化，對應引入色散時延為ΔλDL，其中，激光器譜寬Δλ一般取2nm，D為色散系數。色散通常包括材料色散Dm、波導色散和偏振色散D。由于材料色散影響相對較大，通常用材料色散系數Dm近似表示色散系數D，且Dm=-λ（?2n?λ2）c［4］。綜合得出色散時延τdisp為：

由式（5）得出，傳輸波長λ和環境溫度T改變均會導致傳輸時延發生變化，引起相位波動。本文僅考慮環境溫度變化帶來的影響，實際應用中還存在壓力、振動等其它環境因素影響。

圖2　功率測試示意圖

2　測試及分析

2.1反射測試

如圖2所示為功率測試示意圖，測試設備為AgilentE3631A型頻譜儀和ZCTT型光功率計，光端機實現電信號和1550nm光信號的相互轉換。DH1001銣原子鐘輸出功率為3.72dB的10MHz電信號，經過25km光纖前向傳輸后，功分器將電信號一分為二，一路作為用戶端參考信號，信號功率為-10.53dB；一路作為反饋信號回傳，檢測點a處測得的電信號功率為-16dB。

為了測試前向傳輸反射信號的大小，斷開環形器2，在檢測點b處測得光功率為-28.3dB，在檢測點a處測得電信號功率值為-32.03dB。測試結果表明光纖傳輸存在反射信號，對近端反饋信號存在干擾，相位補償系統得到的相位誤差信息會存在一定偏差。因此，要提高補償精度，必須對反射信號引入的相位誤差進行合理控制。

2.2鏈路時延及相位波動分析

圖3（a）所示為1550nm光信號傳輸折射率隨溫度變化曲線，在0℃～150℃的溫度變化范圍內，?n?λ約為1.0651×10-5/℃。圖3（b）所示為不同溫度下的折射率隨波長變化曲線，26℃時，折射率在800～2000nm通信窗口內的變化范圍為1.454～1.438，當近似線性變化時取?n?λ≈-1.225×10-5/nm。此時常用通信窗口1310nm 和1550nm傳輸折射率差異約為 （1550-1310）×1.225× 10-5=2.94×10-3，100km傳輸帶來的時延差 ΔnLc= 980ns，引起的相位波動為-19.6πf0×10-7。

1310nm和1550nm通信窗口在不同溫度下的材料色散系數如表1所示。26℃時，常用通信窗口1310nm和1550nm的材料色散系數Dm分別為3.81ps（nm·km）和22.76ps（nm·km）。綜合分析得出：約74℃的溫度變化范圍內，1310nm和1550nm光信號傳輸的材料色散系數變化率分別為0.0025ps（nm·km·℃）、0.0011ps（nm·km·℃）；當傳輸100km且溫度變化50℃時，對應引入的時延變化Δτdisp為25ps和11ps，相位波動Δφp分別為-50πf0×10-12、-22πf0×10-12。隨著傳輸距離增加，Δτdisp進一步增大，相位波動加劇。

圖3　光纖折射率變化

表1　不同溫度下的材料色散系數對比

設前向、后向傳輸波長分別為λ1和λ2，光譜寬度Δλ 為2nm，傳輸距離100km，環境溫度為26℃。綜合仿真結果得出，當波長差異=1nm時，色散和折射率差異導致雙向傳輸鏈路不對稱，傳輸時延差4.0833ns，相位差≈8.1666πf0×10-9；由于波長差異，當環境溫度變化時，前向和后向傳輸時延及相位波動不能保持一致變化。因此，為了保證雙向傳輸鏈路對稱和相位波動一致，必須滿足條件：①雙向傳輸采用同一波長信號；②選取高精度激光器，減小光譜展寬帶來的色散時延波動。

圖4　單模光纖單波長雙頻傳輸方案

3　進一步提高同步精度的方案

3.1高精度電學補償方案設計

常用的雙光纖傳輸方式和多模光纖的波分復用傳輸方式不能滿足鏈路對稱性，降低了電學補償系統的補償精度。因此綜合考慮，我們設計了圖4所示單模光纖單波長雙頻傳輸方案。該方案前向傳輸信號頻率為f0，后向傳輸信號頻率為f1，通過頻域濾波消除反射信號引入的干擾，得到了高精度的反饋信號；用同一型號高精度激光器實現雙向傳輸同一波長信號λ0，滿足了雙向傳輸鏈路對稱，雙向傳輸相位波動始終保持一致。具體流程為：①前向傳輸信號經過光電探測器轉換為電信號后，包含的頻率成分有f0和f1，通過頻域濾波得到不含反射信號的f0信號后，一路傳遞給用戶端，另一路高精度倍頻為f1后進行后向傳輸。目前已有的A/D器件可以做到很高的采樣精度，能夠滿足實際倍頻精度需求。②后向傳輸信號在基準端通過濾波設計得到理想反饋信號f1，在此基礎上通過補償系統實現高精度相位預補償。

該方案保證了鏈路的高度對稱，有效避免了反射信號的干擾，提高了相位誤差測量精度，相位補償系統能夠更好地補償鏈路傳輸帶來的相位波動，實現用戶端信號的高精度同步。

3.2傳輸穩定性補償方案

在保證高精度的補償前提下，光纖鏈路傳輸穩定度損失主要由器件和環境影響造成。環境影響始終是造成穩定度損失的首要因素，為降低環境干擾強度，可選取較為穩定的傳輸環境。實際應用中常采用封裝和地下深埋等方式來降低地表溫度劇烈變化、振動和高壓帶來的影響；實驗時也可采用環境控制裝置來提高傳輸環境穩定性。激光器輸出譜展寬和光纖色散引入的時延對高精度頻率傳輸的穩定性影響不可忽略，因此有必要采取一定的色散補償措施。除了選用高精度的激光器降低輸出光譜寬度外，常用的色散補償方式有：色散補償光纖、啁啾光纖光柵、頻譜反轉和色散位移光纖等［5］。

4　結束語

本文對電學補償方式下頻率遠距離傳輸不穩定性進行了研究，并就進一步提升同步精度進行了分析討論。綜合反射測試及分析結果得出，常規電學補償方案中的反饋信號包含反射信號的干擾，且前、后向傳輸波長的不一致引起傳輸鏈路不對稱，限制了補償精度的提高。為綜合提高光信號和電信號傳輸精度，我們設計了單模光纖單波長雙頻傳輸方案。單模單光纖傳輸保證了鏈路高度對稱，雙向不同頻率傳輸消除了反射信號干擾，總體實現了電學補償精度的進一步提高；通過光纖傳輸穩定度損失的分析得出，提高光信號傳輸精度的關鍵在于穩定的傳輸環境和合理的色散補償。

參考文獻：

［1］侯冬.高精度時頻傳輸技術及其在雷達信號處理中的應用研究［D］.北京：北京大學，2012.

［2］胡登鵬，任天鵬，朱淑梅，等.基于FPGA的頻率遠距離穩定傳輸方案及實現［J］.重慶郵電大學（自然科學版），2015，27（5）：614-619.

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［5］彭承柱.克服光纖色散影響的技術 ［J］.重慶郵電學院學報，1999，11 （2）：12-19.

中圖分類號：TN911

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0028-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.008

收稿日期：2016-01-07。

基金項目：航天飛行動力學技術重點實驗室開放基金（No.2013afdl009）資助；國家自然科學基金（No.11403001）資助。

作者簡介：李東瑾（1992-），男，碩士研究生，主要從事時間頻率傳遞技術方面的研究。

System design of frequency transmission via optical fiber based on electrical compensation

LI Dong-jin1，2，MEI Jin-jie1，HU Deng-peng1，2，ZHOU Wen-chan1，REN Tian-peng2
（1.Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China；2.Science and Technology on Aerospace Flight Dynamics Laboratory，Beijing 100094，China）

Abstract：Aiming at the problem of phase fluctuations in frequency transmission via optical fiber，the paper analyzed the instability factor of conventional electrical compensation，and put forward a feasible solution. Firstly，the process ofelectrical compensation and the frequency transmission over optical fiber was analyzed. Secondly，the experiment verified the interaction between reflection signals of fiber and the compensation system，and quantitatively analyzed the phase fluctuations.Finally，a dual-band transmission scheme over SMF and single wavelength was designed，a feasible solution to improve the precise synchronization was put forward as well.

Key words：electrical compensation，dual-band transmission，phase fluctuations，link symmetry